तापीय चालक नैनोफ्लुइड पर आधारित शीतलक
अल्ट्रासोनिक विधि से संश्लेषित नैनोफ्लुइड कुशल शीतलक और ऊष्मा विनिमायक द्रव होते हैं। तापीय चालक नैनोसामग्रियाँ ऊष्मा अंतरण और ऊष्मा अपव्यय की क्षमता में उल्लेखनीय वृद्धि करती हैं। तापीय चालक नैनोकणों के संश्लेषण और प्रकार्यात्मककरण के साथ-साथ शीतलन अनुप्रयोगों के लिए स्थिर, उच्च प्रदर्शन वाले नैनोफ्लुइड के उत्पादन में सोनिकेशन एक सुस्थापित विधि है।
तापीय-हाइड्रॉलिक प्रदर्शन पर नैनोफ्लुइड के प्रभाव
किसी सामग्री की तापीय चालकता उसकी ऊष्मा का चालन करने की क्षमता का माप है। शीतलकों और ऊष्मा अंतरण द्रवों (जिन्हें तापीय द्रव या तापीय तेल भी कहा जाता है) के लिए उच्च तापीय चालकता वांछनीय होती है। अनेक नैनोसामग्रियों में उत्कृष्ट तापीय चालक गुण होते हैं। नैनोसामग्रियों की उत्कृष्ट तापीय चालकता का उपयोग करने के लिए तथाकथित नैनोफ्लुइड का उपयोग शीतलन द्रवों के रूप में किया जाता है। नैनोफ्लुइड ऐसा द्रव होता है जिसमें नैनोमीटर आकार के कण पानी, ग्लाइकॉल या तेल जैसे आधार द्रव में निलंबित होते हैं, जहाँ वे एक कोलॉइडी विलयन बनाते हैं। ऐसे द्रवों की तुलना में, जिनमें नैनोकण या बड़े कण नहीं होते, नैनोफ्लुइड की तापीय चालकता उल्लेखनीय रूप से अधिक हो सकती है। परिक्षेपित नैनोकणों की सामग्री, आकार, श्यानता, सतही आवेश और द्रव स्थिरता नैनोफ्लुइड के तापीय प्रदर्शन को उल्लेखनीय रूप से प्रभावित करते हैं। ऊष्मा अंतरण अनुप्रयोगों में नैनोफ्लुइड का महत्व तेजी से बढ़ रहा है, क्योंकि वे पारंपरिक आधार द्रवों की तुलना में बेहतर ऊष्मा अंतरण प्रदर्शन दिखाते हैं।
अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण उच्च प्रदर्शन वाली ऊष्मा अंतरण क्षमताओं से युक्त नैनोफ्लुइड बनाने की एक अत्यंत कुशल, विश्वसनीय और औद्योगिक रूप से स्थापित तकनीक है।
UP400St, 400W का एक शक्तिशाली अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर, जिसका उपयोग इनके उत्पादन के लिए होता है: उत्कृष्ट तापीय चालकता वाले नैनोफ्लुइड।
- ऊर्जा और द्रव्यमान अंतरण की उल्लेखनीय रूप से उच्च दरों के लिए उच्च सतह : आयतन अनुपात
- बहुत अच्छी कोलॉइडी स्थिरता के लिए कम द्रव्यमान
- कम जड़त्व, जो अपरदन को न्यूनतम करता है
नैनो-आकार से संबंधित ये विशेषताएँ नैनोफ्लुइड को उनकी असाधारण तापीय चालकता प्रदान करती हैं। प्रकार्यात्मककृत नैनोकणों और नैनोफ्लुइड के उत्पादन के लिए अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण सबसे कुशल तकनीक है।
अल्ट्रासोनिक विधि से उत्पादित उत्कृष्ट तापीय चालकता वाले नैनोफ्लुइड
अनेक नैनोसामग्रियाँ – जैसे CNTs, सिलिका, ग्राफीन, एल्युमिनियम, चाँदी, बोरॉन नाइट्राइड और कई अन्य – ऊष्मा अंतरण द्रवों की तापीय चालकता बढ़ाने में पहले ही प्रभावी सिद्ध हो चुकी हैं। नीचे अल्ट्रासोनिक उपचार से तैयार तापीय चालक नैनोफ्लुइड के कुछ उदाहरणात्मक शोध परिणाम दिए गए हैं।
अल्ट्रासाउंड से एल्युमिनियम-आधारित नैनोफ्लुइड का उत्पादन
Buonomo et al. (2015) ने अल्ट्रासोनिक उपचार से तैयार किए गए Al2O3 नैनोफ्लुइड की बेहतर तापीय चालकता प्रदर्शित की।
Al2O3 नैनोकणों को पानी में समान रूप से परिक्षेपित करने के लिए शोधकर्ताओं ने Hielscher के प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर UP400S का उपयोग किया। अल्ट्रासोनिक उपचार से विगुच्छित और परिक्षेपित एल्युमिनियम कणों का आकार सभी नैनोफ्लुइड में लगभग 120 nm था – कण सांद्रता से स्वतंत्र रूप से। शुद्ध पानी की तुलना में उच्च तापमानों पर नैनोफ्लुइड की तापीय चालकता अधिक बढ़ रही थी। 0.5% Al2O3 कण सांद्रता पर, 25°C के कमरे के तापमान पर तापीय चालकता में वृद्धि केवल लगभग 0.57% होती है, लेकिन 65°C पर यह मान बढ़कर लगभग 8% हो जाता है। 4% आयतन सांद्रता के लिए, तापमान 25°C से 65°C तक बढ़ने पर यह वृद्धि 7.6% से 14.4% तक पहुँच जाती है।
[cf. Buonomo et al., 2015]
UP400S से अल्ट्रासोनिक उपचार के बाद विभिन्न बोरॉन नाइट्राइड सांद्रताओं वाले जल-आधारित बोरॉन नाइट्राइड नैनोफ्लुइड का कण आकार वितरण (a) 0.1% hBN, (b) 0.5% hBN, (c) 2% hBN
(अध्ययन और आलेख: © Ilhan et al., 2016)
सोनिकेशन का उपयोग करके बोरॉन नाइट्राइड-आधारित नैनोफ्लुइड का उत्पादन
Ilhan et al. (2016) ने षट्कोणीय बोरॉन नाइट्राइड (hBN) पर आधारित नैनोफ्लुइड की तापीय चालकता की जाँच की। इस उद्देश्य से, 70 nm औसत व्यास वाले hBN नैनोकणों से युक्त, अच्छी तरह परिक्षेपित और स्थिर नैनोफ्लुइड की एक शृंखला दो-चरणीय विधि से तैयार की जाती है, जिसमें अल्ट्रासोनिकेशन और सोडियम डोडेसिल सल्फेट (SDS) तथा पॉलीविनाइल पाइरोलिडोन (PVP) जैसे पृष्ठसक्रिय पदार्थों का उपयोग शामिल है। अल्ट्रासोनिक रूप से परिक्षेपित hBN–जल नैनोफ्लुइड में कणों की अत्यंत कम सांद्रता पर भी तापीय चालकता में उल्लेखनीय वृद्धि दिखाई देती है। प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर UP400S से सोनिकेशन करने पर समुच्चयों का औसत कण आकार घटकर 40–60 nm की सीमा में आ गया। शोधकर्ताओं का निष्कर्ष है कि अनुपचारित शुष्क अवस्था में देखे गए बड़े और सघन बोरॉन नाइट्राइड समुच्चय अल्ट्रासोनिकेशन प्रक्रिया और पृष्ठसक्रिय पदार्थ मिलाने से टूट जाते हैं। इससे अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण विभिन्न कण सांद्रताओं वाले जल-आधारित नैनोफ्लुइड तैयार करने की एक प्रभावी विधि बन जाता है।
[cf. Ilhan et al., 2016]
0.5% कण आयतन सांद्रता वाले, अल्ट्रासोनिक रूप से परिक्षेपित एथिलीन ग्लाइकॉल (EG)-आधारित hBN नैनोफ्लुइड की आकारिकी दर्शाने वाली STEM छवि।
(अध्ययन और आलेख: © Ilhan et al., 2016)
“नैनोफ्लुइड की स्थिरता बढ़ाने के लिए वैज्ञानिक साहित्य में अल्ट्रासोनिकेशन सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली प्रक्रिया है।” [Ilhan et al., 2016] औद्योगिक उत्पादन में भी, उत्कृष्ट प्रदर्शन वाले दीर्घकाल तक स्थिर रहने वाले नैनोफ्लुइड प्राप्त करने के लिए सोनिकेशन आज सबसे प्रभावी, विश्वसनीय और किफायती तकनीक है।
शीतलक उत्पादन के लिए औद्योगिक अल्ट्रासोनिकेटर
वैज्ञानिक रूप से प्रमाणित, उद्योग में स्थापित – नैनोफ्लुइड उत्पादन के लिए Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर
अल्ट्रासोनिक उच्च-अपरूपण परिक्षेपक उच्च-प्रदर्शन वाले शीतलकों और ऊष्मा अंतरण द्रवों के निरंतर उत्पादन के लिए विश्वसनीय मशीनें हैं। अल्ट्रासोनिक रूप से संचालित मिश्रण अपनी दक्षता और विश्वसनीयता के लिए जाना जाता है – तब भी, जब मिश्रण की परिस्थितियाँ चुनौतीपूर्ण हों।
Hielscher Ultrasonics के उपकरणों से गैर-विषैले, गैर-खतरनाक और कुछ खाद्य-ग्रेड नैनोफ्लुइड भी तैयार किए जा सकते हैं। साथ ही, हमारे सभी अल्ट्रासोनिकेटर अत्यधिक दक्ष, विश्वसनीय, संचालन में सुरक्षित और बहुत मजबूत हैं। 24/7 संचालन के लिए निर्मित हमारे बेंच-टॉप और मध्यम आकार के अल्ट्रासोनिकेटर भी उल्लेखनीय मात्रा में उत्पादन करने में सक्षम हैं।
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नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:
| बैच का आयतन | प्रवाह दर | अनुशंसित उपकरण |
|---|---|---|
| 1 से 500mL | 10 से 200mL/min | UP100H |
| 10 से 2000mL | 20 से 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 से 20L | 0.2 से 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 से 100L | 2 से 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 से 150L | 3 से 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 से 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | अधिक | समूह: UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics प्रयोगशाला, पायलट और औद्योगिक पैमाने पर मिश्रण अनुप्रयोगों, परिक्षेपण, पायसीकरण और निष्कर्षण के लिए उच्च-प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र बनाता है।
साहित्य / संदर्भ
- B. Buonomo, O. Manca, L. Marinelli, S. Nardini (2015): Effect of temperature and sonication time on nanofluid thermal conductivity measurements by nano-flash method. Applied Thermal Engineering 2015.
- Beybin İlhan, Melike Kurt, Hakan Ertürk (2016): Experimental investigation of heat transfer enhancement and viscosity change of hBN nanofluids. Experimental Thermal and Fluid Science, Volume 77, 2016. 272-283.
- Oldenburg, S., Siekkinen, A., Darlington, T., Baldwin, R. (2007): Optimized Nanofluid Coolants for Spacecraft Thermal Control Systems. SAE Technical Paper, 2007.
- Mehdi Keyvani, Masoud Afrand, Davood Toghraie, Mahdi Reiszadeh (2018): An experimental study on the thermal conductivity of cerium oxide/ethylene glycol nanofluid: developing a new correlation. Journal of Molecular Liquids, Volume 266, 2018, 211-217.
जानने योग्य तथ्य
शीतलन और ऊष्मा अंतरण अनुप्रयोगों के लिए नैनोफ्लुइड अच्छे क्यों हैं?
नैनोफ्लुइड शीतलकों का एक नया वर्ग हैं, जिनमें एक आधार द्रव (जैसे, पानी) होता है, जो नैनो आकार के कणों के लिए वाहक द्रव का काम करता है। आधार द्रव में परिक्षेपित, विशेष उद्देश्य के लिए डिज़ाइन किए गए नैनोकण (जैसे नैनो आकार के CuO, ऐलुमिना टाइटेनियम डाइऑक्साइड, कार्बन नैनोट्यूब, सिलिका, या ताँबे जैसी धातुएँ, चाँदी की नैनोछड़ें) परिणामी नैनोफ्लुइड की ऊष्मा अंतरण क्षमता को उल्लेखनीय रूप से बढ़ा सकते हैं। इससे नैनोफ्लुइड असाधारण रूप से उच्च प्रदर्शन वाले शीतलन द्रव बन जाते हैं।
ऊष्माचालक नैनोकणों वाले विशेष रूप से निर्मित नैनोफ्लुइड का उपयोग ऊष्मा अंतरण और ऊष्मा अपव्यय में उल्लेखनीय सुधार संभव बनाता है; उदाहरण के लिए, 55±12 nm व्यास और 12.8 µm औसत लंबाई वाली चाँदी की नैनोछड़ों ने 0.5 vol.% पर पानी की ऊष्मीय चालकता को 68% बढ़ाया, और 0.5 vol.% चाँदी की नैनोछड़ों ने एथिलीन ग्लाइकॉल आधारित शीतलक की ऊष्मीय चालकता को 98% बढ़ाया। 0.1% पर ऐलुमिना नैनोकण पानी के क्रांतिक ऊष्मा फ्लक्स को 70% तक बढ़ा सकते हैं; ये कण ठंडी की जा रही वस्तु पर खुरदरी छिद्रयुक्त सतह बनाते हैं, जो नए बुलबुलों के बनने को प्रोत्साहित करती है, और फिर उनकी जलरागी प्रकृति इन बुलबुलों को दूर धकेलने में मदद करती है, जिससे भाप की परत बनने में बाधा आती है। 5% से अधिक सांद्रता वाला नैनोफ्लुइड गैर-न्यूटनीय द्रवों की तरह व्यवहार करता है। (cf. (Oldenburg et al., 2007)
तापीय नियंत्रण प्रणालियों में प्रयुक्त शीतलकों में धातु के नैनोकण मिलाने से आधार द्रव की ऊष्मीय चालकता में बहुत अधिक वृद्धि हो सकती है। ऐसे धातु नैनोकण-द्रव मिश्रित पदार्थों को नैनोफ्लुइड कहा जाता है और शीतलक के रूप में उनके उपयोग में अंतरिक्ष यान की तापीय नियंत्रण प्रणालियों के भार और शक्ति की आवश्यकताओं को कम करने की क्षमता है। नैनोफ्लुइड की ऊष्मीय चालकता उनके घटक नैनोकणों की सांद्रता, आकार, आकृति, सतही रसायन और समुच्चयन की अवस्था पर निर्भर करती है। पानी और एथिलीन ग्लाइकॉल आधारित शीतलकों की ऊष्मीय चालकता और श्यानता पर नैनोकणों की मिश्रण सांद्रता और उनके लंबाई-व्यास अनुपात के प्रभावों की जाँच की गई। 55 ± 12 nm व्यास और 12.8 ± 8.5 μm औसत लंबाई वाली चाँदी की नैनोछड़ों ने आयतन के अनुसार 0.5% सांद्रता पर पानी की ऊष्मीय चालकता को 68% बढ़ाया। आयतन के अनुसार 0.5% चाँदी की नैनोछड़ें मिलाने पर एथिलीन ग्लाइकॉल आधारित शीतलक की ऊष्मीय चालकता में 98% की वृद्धि हुई। समान मिश्रण घनत्व पर लंबी नैनोछड़ों का ऊष्मीय चालकता पर प्रभाव छोटी नैनोछड़ों से अधिक था। हालाँकि, लंबी नैनोछड़ों ने आधार द्रव की श्यानता को भी छोटी नैनोछड़ों की तुलना में अधिक बढ़ाया।
(Oldenburg et al., 2007)
Hielscher Ultrasonics उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र प्रयोगशाला से औद्योगिक आकार तक निर्मित करता है।